中壓蒸汽流量測量密度補(bǔ)償方式的誤差分析

李自皋，段德兵，盧宏民

(玉門油田分公司 煉油化工總廠，甘肅 玉門 735100)

在煉油化工生產(chǎn)中，中壓蒸汽是重要的動力能源之一，是廠級能源計量交接及經(jīng)濟(jì)核算的一項重要內(nèi)容。某煉廠目前使用的中壓3.5 MPa蒸汽主要來源于水電廠的北門中壓蒸汽管線。由于該條蒸汽管線的蒸汽測量儀表距離主裝置較遠(yuǎn)，蒸汽計量核算一直采用1臺可編程自動補(bǔ)償?shù)闹悄芰髁糠e算控制儀(以下簡稱積算儀)對進(jìn)入總廠的中壓蒸汽管線的流量、溫度、壓力進(jìn)行實時測量，并累計計算，作為廠級計量交接和總廠能耗消耗的主要數(shù)據(jù)來源。由于該積算儀采用可編程方式，對蒸汽流量的溫度、壓力補(bǔ)償采取了直接查表的方法進(jìn)行實時在線補(bǔ)償，精度較高，得到了水電廠與總廠的一致認(rèn)可。

隨著總廠節(jié)能降耗措施的不斷實施以及催化自產(chǎn)蒸汽產(chǎn)量的增加，蒸汽能源的使用結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，中壓蒸汽的使用量也隨之發(fā)生了變化。因此，必須對該積算儀的各項參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木幊探M態(tài)和調(diào)整。

為了有效地解決該問題，通過對蒸汽密度查表法與目前流行的3種蒸汽密度擬合公式進(jìn)行了誤差對比分析，提出將該條中壓蒸汽管線上的溫度、壓力、流量噴嘴差壓信號通過“1進(jìn)2出”的隔離安全柵，將其中1路引入到距離北門較近的重整裝置控制室的苯抽裝置DCS中，使用擬合公式對中壓蒸汽密度進(jìn)行實時計算，對瞬時流量進(jìn)行在線實時補(bǔ)償計算，使用DCS累積功能進(jìn)行自動按秒累計；另1路同時引入北門積算儀對流量、溫度、壓力進(jìn)行實時測量，用于數(shù)據(jù)測量檢測對比，該方案的實施取得了非常理想的應(yīng)用效果。本文就該方案的實施及蒸汽密度擬合公式的選擇，以及與原積算儀蒸汽密度的查表誤差進(jìn)行分析和探討。

1 中壓蒸汽引入DCS在線補(bǔ)償計算

1.1 基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)及實施方案

北門中壓蒸汽設(shè)計數(shù)據(jù)： 噴嘴外徑D為251 mm，內(nèi)徑d為128.872 mm，表壓為4 MPa，溫度為420 ℃，最大流量為60 t/h，壓損為35.636 kPa，差壓為60 kPa，變送器內(nèi)未設(shè)置開方計算。

在北門蒸汽計量室機(jī)柜內(nèi)安裝3只“1進(jìn)2出”的安全柵和1只溫度變送器安全柵，并用1 A的獨立端子開關(guān)給安全柵配直流24 V電源。安全柵的輸出端，1路輸出信號進(jìn)入重整苯抽裝置DCS機(jī)柜，另1路輸出信號進(jìn)入原積算儀。

1.2 蒸汽密度擬合公式及補(bǔ)償計算公式選擇

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，在目前行業(yè)公認(rèn)的3個過熱蒸汽密度計算公式中，選擇溫度、壓力與文中1.1基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)較為接近的公式作為該次蒸汽密度擬合的計算公式。

1) 密度擬合計算公式：

(1)

式中：t——測量溫度，℃；p——測量壓力為表壓，MPa。

當(dāng)過熱蒸汽壓力為3.0～4.5 MPa，溫度為390～430 ℃時，式(1)的計算密度與查表密度的誤差在0.1%～0.7%，為最佳擬合公式。

2) 蒸汽的溫壓補(bǔ)償流量計算公式[2]：

a) 對于流量信號，蒸汽的溫壓補(bǔ)償流量計算公式：

(2)

式中：ρ——實時蒸汽流量的密度，可通過式(1)計算得到；ρb0——蒸汽基準(zhǔn)密度，可通過節(jié)流裝置設(shè)計規(guī)格書中得到；qm——補(bǔ)償之后的質(zhì)量流量；qm0——補(bǔ)償之前的質(zhì)量流量。

b) 對于差壓信號，蒸汽的溫壓補(bǔ)償流量計算公式：

(3)

式中：ρb——相同溫度、壓力下的蒸汽查表密度。

根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，中壓蒸汽噴嘴的設(shè)計條件為表壓4 MPa，溫度420 ℃，按照絕壓4.1 MPa，溫度420 ℃時查表得ρb為13.497 1 kg/m3。

1.3 DCS組態(tài)與儀表聯(lián)校

1) DCS組態(tài)包括硬件組態(tài)和軟件組態(tài):

a) 硬件組態(tài)涉及通道分配，信號線校驗。

b) 軟件組態(tài)主要包括數(shù)據(jù)庫位號定義，差壓濾波+開方，量程設(shè)定轉(zhuǎn)換，使用式(1)擬合公式在線計算實時蒸汽密度，按式(3)溫壓補(bǔ)償公式在線計算瞬時流量，按秒對瞬時流量進(jìn)行累計等；組態(tài)流程畫面、趨勢、歷史數(shù)據(jù)等；下裝調(diào)試、數(shù)據(jù)庫備份。

2) 原中壓蒸汽壓力變送器膜盒變形，測量誤差較大，更換了1臺量程為0～6 MPa的壓力變送器。

3) 校驗調(diào)校中壓蒸汽噴嘴差壓變送器的零點及量程，參考基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)，通過計算將原量程由-2.76～22.235 kPa調(diào)整至0～27 kPa，更加接近目前使用工況。

4) 由于原積算儀說明書中提供的補(bǔ)償計算公式及K值計算方法，引入到DCS進(jìn)行計算后，與水電廠的誤差較大，因而沒有使用原積算儀說明書中的公式，而是采用式(1)進(jìn)行密度的實時計算，然后通過式(3)對瞬時流量進(jìn)行補(bǔ)償計算。

2 蒸汽密度查表法與擬合公式的誤差分析

2.1 直接查表法

蒸汽測量中，對于飽和蒸汽，密度是溫度和壓力的單值函數(shù)，即知道了溫度或壓力就可以求得蒸汽的密度。而對于過熱蒸汽，密度是由溫度、壓力共同決定的，不再是溫度或壓力的單值函數(shù)關(guān)系；只有同時知道了溫度和壓力，才能根據(jù)查表或公式法求得蒸汽的密度。

該積算儀可按查表法，對不同溫度、壓力下的蒸汽密度通過查表獲得實時蒸汽密度的流量補(bǔ)償。其內(nèi)存中放置了3張飽和蒸汽和3張過熱蒸汽密度表，在CPU的控制下，模仿人工查表的方法，采用計算機(jī)查表與線性插值相結(jié)合的技術(shù)，能得到與人工查表相同精確度的溫度、壓力下的實時蒸汽的密度值。該方法目前仍廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，用來精確測量各種蒸汽、天然氣的流量計量，一般普遍認(rèn)為這種直接查表獲得的密度比較準(zhǔn)確。

2.2 DCS擬合公式計算法

蒸汽的熱力學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜，過熱蒸汽雖然是單相流體，其密度是溫度和壓力的函數(shù)，但它并不服從理想氣體方程。目前過熱蒸汽密度大多采用查密度表確定，數(shù)值是根據(jù)國際公式化委員會(IFC)于1967 年發(fā)表的公式計算出來的。IFC提供的公式非常復(fù)雜，僅根據(jù)該公式計算結(jié)果編制的蒸汽密度表，內(nèi)容就很龐大，DCS不可能直接把它集成在系統(tǒng)中。目前比較可行的辦法就是以蒸汽密度表為基礎(chǔ)，根據(jù)儀表有限的工作范圍，把密度與壓力、溫度之間的函數(shù)關(guān)系擬合成計算公式，以滿足DCS對流量測量組態(tài)計算的需要，即擬合公式計算法。

目前行業(yè)公認(rèn)的3個過熱蒸汽密度的計算公式，分別是本文1.2節(jié)提到的式(1)和下列式(4)、式(5)[1]：

(4)

式(4)中，蒸汽實際工作壓力變化范圍： 0.1～1.1 MPa；工作溫度變化范圍： 160～410 ℃。

(5)

式(5)中，蒸汽實際工作壓力變化范圍： 0.6～2.0 MPa；工作溫度變化范圍： 250～400 ℃。

根據(jù)現(xiàn)場實際工況和計算對比情況，可靈活地選擇與密度擬合公式的工作范圍相近的公式，以達(dá)到較高的精度。

2.3 兩種密度計算誤差的分析

相同溫度、壓力下的蒸汽查表密度與擬合公式計算密度的兩者誤差計算公式：

[(ρb-ρ計算)/ρb]×100%

(6)

式中：ρ計算——相同溫度、壓力下的擬合公式計算密度。

筆者通過Excel表格的自動計算功能，分別對過熱蒸汽的壓力在0.10～5.00 MPa，溫度在310～450 ℃的查表密度與3個擬合計算公式計算的密度誤差進(jìn)行了計算對比，過熱蒸汽查表密度ρb值來源于積算儀說明書提供的過熱蒸汽密度表。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

1) 式(1)和式(4)這2個擬合計算公式在過熱蒸汽壓力在0.10～5.00 MPa，溫度在310～450 ℃時的計算密度與查表密度誤差在5%以內(nèi)，滿足了貿(mào)易交接的上限，在誤差要求不高的條件下可以使用。

2) 式(5)擬合公式，適用于壓力范圍在0.10～0.80 MPa的過熱蒸汽，其適用范圍與文獻(xiàn)[1]附錄H3中水蒸氣密度計算式中所敘述的適用范圍“p=0.6～2.0 MPa，t=250～400 ℃”差別較大，值得進(jìn)一步商榷。

3) 在接近北門中壓蒸汽噴嘴的基礎(chǔ)設(shè)計的基準(zhǔn)表壓為4 MPa，溫度為420 ℃的前后區(qū)間內(nèi)，通過對壓力在3.0～4.5 MPa，溫度在390～430 ℃的過熱蒸汽的擬合計算密度與查表密度的差值進(jìn)行誤差分析比較，式(1)的誤差在0.1%～0.7%，為最優(yōu)擬合公式。

根據(jù)上述的誤差計算分析對比，文獻(xiàn)[1]的附錄H3中水蒸氣密度計算公式的適用范圍為“p=1.0～14.7 MPa，t=400～500 ℃”，同樣有商榷的空間，須根據(jù)用戶的基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)具體分析應(yīng)用，不能直接照搬套用。

3 應(yīng)用效果

引用了式(1)和式(3)后，反復(fù)與水電廠汽機(jī)主控室聯(lián)系核對，雖然兩者仍存在著儀表測量誤差的各種因素，但目前煉廠DCS的計算數(shù)據(jù)與水電廠的計量數(shù)據(jù)誤差能保持在0.3%～5.0%，平均誤差為2.43%的較好水平，能及時反映煉廠的中壓蒸汽消耗情況，對單位之間的貿(mào)易計量結(jié)算有很好的參考意義。

4 結(jié)束語

通過對過熱蒸汽壓力在0.10～5.00 MPa，溫度在310～450 ℃的密度采用3個擬合公式進(jìn)行計算，并將計算的密度結(jié)果與查表密度進(jìn)行了誤差分析，重點考察了壓力在3.0～4.5 MPa、溫度在390～430 ℃的過熱蒸汽的計算密度與查表密度的誤差值，選擇了誤差在0.1%～0.7%的最優(yōu)擬合公式作為本次北門中壓蒸汽計量引入DCS在線補(bǔ)償計算實施方案的最佳計算公式。采用該最佳計算公式以后，蒸汽的溫度、壓力及瞬時補(bǔ)償流量測量數(shù)值與水電廠汽機(jī)車間過熱蒸汽出口的計量數(shù)值基本保持一致，計量數(shù)據(jù)誤差保持在2.43%以內(nèi)，及時地反映了總廠的蒸汽消耗情況，其測量系統(tǒng)誤差已具備完全取代原積算儀查表法補(bǔ)償流量計量的功能，取得了理想的應(yīng)用效果，該方案對后續(xù)的蒸汽補(bǔ)償計量具有一定的借鑒推廣價值。

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